如何在Vivado中實(shí)現(xiàn)邏輯鎖定和增量編譯工程實(shí)例說明

本文針對(duì)Vivado中實(shí)現(xiàn)的邏輯鎖定和增量編譯進(jìn)行的工程實(shí)例介紹，文中有對(duì)應(yīng)工程的下載地址。友情提示：（1）增量編譯只允許修改當(dāng)前工程不超過5%的時(shí)候才有效，一般應(yīng)用于較大工程添加修改chipscope監(jiān)測(cè)信號(hào)使用；（2）邏輯模塊鎖定不是解決時(shí)序問題的最終辦法，僅用來確認(rèn)某些FPGA管腳的時(shí)序問題，實(shí)際中常常采用原語例化BUFG之類的處理模塊來解決，而內(nèi)部模塊的時(shí)序問題還是需要必須認(rèn)真的修正的！

Quartus的邏輯鎖定

該部分引用本公眾號(hào)上一篇時(shí)序約束文章中的內(nèi)容，在Quartus中采用邏輯鎖定的辦法來解決FPGA和外部接口的時(shí)序問題，也就是輸入輸出的寄存Rxd/Txd的寄存器到外部器件寄存器的時(shí)序問題。

GMII接收數(shù)據(jù)路徑分析

Tpcb是外部PCB板上數(shù)據(jù)的延時(shí)，Tdata_i是數(shù)據(jù)的輸入延時(shí)，Gmii_rx_interface相當(dāng)于Rxd進(jìn)入FPGA后的第一個(gè)寄存器模塊（可以專門寫一個(gè)接口模塊，將Rxd數(shù)據(jù)打一拍，用于接收數(shù)據(jù)）。如果Gmii_rx_interface距離接口Rxd較遠(yuǎn)，Tdata_i的路徑較長，布局布線時(shí)Rxd的八根線時(shí)延相差可能就比較大，所以我們應(yīng)讓這個(gè)模塊放在距離Rxd接口較近的地方。

Quartus軟件中有一個(gè)LogicLock（物理分區(qū)）功能，把Gmii_rx_interface模塊建立成一個(gè)LogicLock分區(qū)但并不對(duì)分區(qū)位置和大小進(jìn)行固定，然后重新編譯工程。布局布線后就可以在chipplaner工具中看到這個(gè)分區(qū)的位置，如下圖所示（放大可以看清），Gmii_rx_interface模塊距離Rxd接口位置很遠(yuǎn)，布局布線時(shí)，輸入信號(hào)要繞很長一段距離才會(huì)到達(dá)輸入的寄存器，資源占用很多時(shí)，Rxd的8根數(shù)據(jù)線長度不一，很容易造成時(shí)序問題。

未固定分區(qū)位置時(shí)布局布線結(jié)果

把Gmii_rx_interface模塊分區(qū)移動(dòng)到Rxd接口附近進(jìn)行固定然后重新編譯工程，布局布線后該邏輯分區(qū)就會(huì)在Rxd接口附近，從而保證輸入數(shù)據(jù)接口進(jìn)入FPGA的第一個(gè)寄存器的時(shí)延在一定范圍內(nèi)，保證時(shí)序要求。

采用LogicLock后，GMII寄存器接口位置

Vivado設(shè)計(jì)鎖定與增量編譯

1、研究目標(biāo)

希望把之前驗(yàn)證過的模塊固定在fpga上某個(gè)位置，然后再在這個(gè)基礎(chǔ)上添加其它代碼再進(jìn)行增量編譯，不會(huì)影響之前已經(jīng)固定好的模塊。

2、設(shè)計(jì)鎖定與增量編譯方法

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊的布局（place）、布線（route）的鎖定，僅適用增量編譯是不夠的，因?yàn)樵隽烤幾g的本質(zhì)目的是為了實(shí)現(xiàn)編譯時(shí)間的縮短，還需要引入設(shè)計(jì)鎖定，設(shè)計(jì)鎖定的TCL命令是：

lock_design–level routing

下面舉例說明具體的操作方法。

（1）建立工程：建立一個(gè)工程，走完綜合實(shí)現(xiàn)的流程，如圖1所示，該工程將作為樣例工程（工程名：incre_compile_demo），將該工程備份一份（工程名：initial_project,后面對(duì)比要用到這個(gè)工程）；

圖1 建好的工程

（2）找到dcp文件：增量編譯需要有一個(gè)參考文件，這個(gè)參考文件是“參考設(shè)計(jì)”實(shí)現(xiàn)之后生成的，后綴是“.dcp”，該文件的路徑一般在“..\project_1\project_1.runs\impl_1”路徑下，如圖2所示，新建一個(gè)文件夾（名字是dcp_file），將該文件復(fù)制到其中，如圖3所示；

圖2 dcp文件

圖3 新建文件夾，復(fù)制dcp文件

（3）鎖定設(shè)計(jì)：前面說道，簡單的增量編譯是不能保證模塊固定在某個(gè)位置的，為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行鎖定，方法是，打開一個(gè)新的Vivado界面，然后打開dcp_file文件夾下的dcp文件（注意選擇“open checkpoint”），如圖4所示；打開后，在TCL Console中輸入命令：“l(fā)ock_design –level routing”，點(diǎn)擊左上角保存，如圖5所示，做完這一步后，設(shè)計(jì)就鎖定好了，dcp文件就可以用了；

圖4 vivado打開dcp界面

圖5 鎖定設(shè)計(jì)并保存

（4）增量編譯：

1）修改代碼，將頂層模塊（test_compare.v）line263-line266注釋取消，保存，如圖6所示；

圖6 改代碼

2）在主界面菜單欄處，點(diǎn)：Flow> Create Runs；

3）選both，點(diǎn)next，如圖7所示；

圖7 選both

4）勾選make active，點(diǎn)next，如圖8所示；

圖8 make active

5）選Do notlaunch now，點(diǎn)next，如圖9所示；

圖9 Do not launch now

6）完成后如圖10所示；

圖10 新的run已建好

7）在impl_2右鍵，選擇“Set Incremental Compile”，選擇步驟（3）中準(zhǔn)備好的dcp文件，示意圖如圖11所示（注意這只是一個(gè)示意圖，圖中選的文件不是步驟（3）準(zhǔn)備好的那個(gè)文件）

8）開始綜合、實(shí)現(xiàn)，完成增量編譯過程。

圖11 選擇參考dcp文件

3、正確性驗(yàn)證

怎么證明增量編譯后，原始設(shè)計(jì)成功鎖定了呢？我們來做一個(gè)對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

樣本1：原始工程，名稱是: initial_project;

樣本2：增量編譯工程，名稱是: incre_compile_demo;

樣本3：原始工程復(fù)制一份出來，不進(jìn)行增量編譯，直接修改代碼（見圖6），重新綜合實(shí)現(xiàn)，名稱是：modify_project。

打開三個(gè)工程，之后open implemented design，選取幾個(gè)模塊，觀察其在FPGA上的位置，發(fā)現(xiàn)樣本1和樣本2位置完全一樣，而樣本3和前兩個(gè)樣本不一樣，說明設(shè)計(jì)鎖定是成功的，如圖12、13、14所示。

圖12 樣本1位置觀察

圖13 樣本2位置觀察

圖14 樣本3位置觀察

上述實(shí)例工程百度網(wǎng)盤下載鏈接：

鏈接：https://pan.baidu.com/s/1EuRnBF3aPR3YFrBMCl2e-Q

提取碼：v1tr

Vivado下如何鎖定設(shè)計(jì)的模塊的布局布線

Xilinx官方論壇上也有相關(guān)問題的回答。

https://forums.xilinx.com/t5/Vivado/Vivado%E4%B8%8B%E5%A6%82%E4%BD%95%E9%94%81%E5%AE%9A%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E6%A8%A1%E5%9D%97%E7%9A%84%E5%B8%83%E5%B1%80%E5%B8%83%E7%BA%BF/td-p/885693。

Vivado下如何鎖定設(shè)計(jì)模塊的布局布線

問題：

我現(xiàn)在設(shè)計(jì)了一個(gè)延時(shí)模塊，應(yīng)用后需要把該模塊的布局和布線全部鎖定，然后在別的項(xiàng)目中直接調(diào)用?，F(xiàn)在布局沒有問題?？梢酝ㄟ^約束文件來鎖定，就是布線不能大范圍鎖定，否則應(yīng)用時(shí)會(huì)失敗。我已經(jīng)嘗試過增量編譯（調(diào)用DCP文件）的功能，發(fā)現(xiàn)在增量編譯中布局布線并不是全部不變的，個(gè)別走線也是會(huì)變的。請(qǐng)問有辦法把布線也固定下來嗎？（Tool: Vivado17.3 Device: K7）

回答1：如果你用的是Ultrascale/Ultrascale+ , 我覺得PR是個(gè)不錯(cuò)的選擇，你的目標(biāo)模塊可以放在靜態(tài)部分，只占據(jù)很小的一塊面積，剩下大塊的動(dòng)態(tài)部分.但是7系列有很多primitive不能放在動(dòng)態(tài)，靜態(tài)的部分包含的邏輯過多，剩下供你修改的邏輯偏少，不太適合目前的應(yīng)用場景.

回答2：關(guān)于鎖定某一個(gè)net的布線路徑，請(qǐng)參考以下步驟：

打開跑完布局布線的工程，Open Implemented Design

找到你要鎖定布線的net，選中，右鍵菜單點(diǎn)擊Fixed Routing，如下圖所示:

3. Tcl Console里面會(huì)打印出一些命令，然后在Tcl Console里面敲命令：write_xdc

4. 打開導(dǎo)出的xdc，在最下面的部分會(huì)有所有元件的位置鎖定以及FIXED_ROUTE，示例如下：

5. 另外還需注意的是，負(fù)載中有LUT的話需要將LUT的輸入pin也鎖住。以下圖的LUT2為例，在其property窗口中找到Cell pins，信號(hào)是連到LUT2的I0端，映射到BEL pin是A3。

因此上述導(dǎo)出的位置鎖定約束中還有一個(gè)LOCK_PINS的設(shè)置：

set_property LOCK_PINS {I0:A3} [get_cells clk_gen_i0/rst_meta_i_1]

6. 將這部分有關(guān)鎖定的約束拷貝到你工程的約束文件中，重新跑implementation，這條線會(huì)按照原先的結(jié)果布。

溫馨提示：

我們并不建議完全鎖死某個(gè)模塊的所有布線，當(dāng)合入的工程比較復(fù)雜，用到的布線資源較密集時(shí)，工具沒有靈活性去調(diào)整和優(yōu)化，有很大的概率會(huì)布線失敗。

劃分靜態(tài)區(qū)和動(dòng)態(tài)區(qū)

除了上述的邏輯鎖定方法之外，Xilinx 的FPGA還提供了靜態(tài)區(qū)和動(dòng)態(tài)區(qū)的劃分也可以實(shí)現(xiàn)邏輯的鎖定。只不過靜態(tài)區(qū)占據(jù)了大多數(shù)的空間，動(dòng)態(tài)區(qū)是可以隨意修改的小部分空間。

FPGA提供了現(xiàn)場編程和重新編程的靈活性，無需通過改進(jìn)的設(shè)計(jì)進(jìn)行重新制造。部分重配置（PR）進(jìn)一步提高了這種靈活性，允許通過加載部分配置文件（通常是部分BIT文件）來修改操作FPGA設(shè)計(jì)。在完整的BIT文件配置FPGA之后，可以下載部分BIT文件以修改FPGA中的可重配置區(qū)域，而不會(huì)影響在未重新配置的設(shè)備部分上運(yùn)行的應(yīng)用程序的完整性。

部分可重構(gòu)的基本前提

如圖所示，通過下載幾個(gè)部分BIT文件A1.bit，A2.bit，A3.bit或A4.bit中的一個(gè)來修改在重新配置塊A中實(shí)現(xiàn)的功能。 FPGA設(shè)計(jì)中的邏輯分為兩種不同的類型，可重構(gòu)邏輯和靜態(tài)邏輯。 FPGA塊的灰色區(qū)域表示靜態(tài)邏輯，標(biāo)記為Reconfig Block“A”的塊部分表示可重配置邏輯。靜態(tài)邏輯仍然有效，并且不受加載部分BIT文件的影響。可重配置邏輯由部分BIT文件的內(nèi)容替換。

為什么在單個(gè)FPGA器件上動(dòng)態(tài)地對(duì)多個(gè)硬件進(jìn)行時(shí)間復(fù)用的能力是有利的。這些包括：

?減小實(shí)現(xiàn)給定功能所需的FPGA器件尺寸，從而降低成本和功耗

?為應(yīng)用可用的算法或協(xié)議選擇提供靈活性

?實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)安全性的新技術(shù)

?提高FPGA容錯(cuò)能力

?加速可配置計(jì)算

除了減小尺寸，重量，功耗和成本之外，部分重配置還可以實(shí)現(xiàn)沒有它的新型FPGA設(shè)計(jì)。

更詳細(xì)介紹請(qǐng)參考官方文檔：

UG909:Design Considerations and Guidelines for 7 Series and Zynq Devices

有關(guān)部分可重構(gòu)部分的內(nèi)容請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注我們的公眾號(hào)后續(xù)內(nèi)容，通過ICAP實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)LUT的在線實(shí)時(shí)修改，敬請(qǐng)期待。

實(shí)現(xiàn)不同模塊的物理隔離

我們還可以通過Xilinx分區(qū)技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)不同模塊布局布線在同一塊FPGA芯片的不同位置，中間可以用隔離柵欄來隔離開。

使用CLB平鋪的水平和垂直隔離柵欄的PlanAhead工具視圖

通過Xilinx分區(qū)技術(shù)，可以在單個(gè)FPGA中開發(fā)出包含多個(gè)隔離功能的安全可靠的單芯片解決方案。在使用FPGA設(shè)計(jì)技術(shù)和編碼樣式時(shí)，只需對(duì)開發(fā)流程進(jìn)行適度修改即可實(shí)現(xiàn)安全或安全關(guān)鍵的解決方案。 IDF開發(fā)要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中更早地考慮布局規(guī)劃，以確保在邏輯，路由和I / O緩沖器（IOB）中實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)母綦x。除了早期布局規(guī)劃之外，開發(fā)流程是基于分區(qū)的（即，用戶希望隔離的每個(gè)功能必須處于其自己的層次結(jié)構(gòu)級(jí)別）。從這里開始，設(shè)計(jì)師可以采用兩種方法中的一種。如果設(shè)計(jì)者希望確保不會(huì)發(fā)生不必要的冗余優(yōu)化，則必須獨(dú)立于其他分區(qū)來合成和實(shí)現(xiàn)每個(gè)隔離的功能。實(shí)現(xiàn)每個(gè)分區(qū)后，設(shè)計(jì)將合并為扁平FPGA設(shè)計(jì)，以進(jìn)行器件配置。如果設(shè)計(jì)者希望使用其他技術(shù)來防止這種優(yōu)化，他們可以合成完整的設(shè)計(jì)，同時(shí)小心維護(hù)至少一個(gè)層次結(jié)構(gòu)，使得IDF約束可以應(yīng)用于需要隔離的每個(gè)分區(qū)。雖然這種流程要求FPGA設(shè)計(jì)人員脫離傳統(tǒng)的FPGA開發(fā)流程，但分區(qū)方法確實(shí)具有一定的優(yōu)勢(shì)。如果隔離分區(qū)在設(shè)計(jì)周期的后期需要更改，則僅修改該特定功能，而其余分區(qū)保持不變。

上圖示例設(shè)計(jì)包括兩個(gè)冗余高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）加密模塊，其輸出發(fā)送到比較器（COMPARE）塊，以及用于緩沖和隔離數(shù)據(jù)和鍵輸入的I / O（INOUT）模塊。冗余AES加密模塊，比較功能和I / O（INOUT）模塊都在一個(gè)FPGA中實(shí)現(xiàn)隔離。該設(shè)計(jì)可以通過位于其中一個(gè)AES引擎上的按鈕注入錯(cuò)誤。由比較塊驅(qū)動(dòng)的LED指示AES模塊的輸出何時(shí)不匹配。

另外，在Zynq-7000系列FPGA內(nèi)部帶有ARM硬核的FPGA內(nèi)部也是實(shí)現(xiàn)了PS部分（ARM硬核）和PL部分（FPGA部分）的隔離。如下圖：